[論文レビュー] Coordinated Passive Beamforming for Distributed Intelligent Reflecting Surfaces Network

Jinglian He, Kaiqiang Yu+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 14, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 17被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、複数のIRSにおける送信パワーと受動ビームフォーミングを共同最適化することで、和レートを最大化する分散型知能反射表面（IRS）ネットワークを提案する。非凸問題を扱いやすい分数プログラミングに再定式化する交互アルゴリズムを構築し、単一IRSやヒューリスティック手法と比較して高いスペクトル効率を達成した。収束性は証明され、シミュレーションによる性能評価も実施された。

ABSTRACT

Intelligent reflecting surface (IRS) is a proposing technology in 6G to enhance the performance of wireless networks by smartly reconfiguring the propagation environment with a large number of passive reflecting elements. However, current works mainly focus on single IRS-empowered wireless networks, where the channel rank deficiency problem has emerged. In this paper, we propose a distributed IRS-empowered communication network architecture, where multiple source-destination pairs communicate through multiple distributed IRSs. We further contribute to maximize the achievable sum-rates in this network via jointly optimizing the transmit power vector at the sources and the phase shift matrix with passive beamforming at all distributed IRSs. Unfortunately, this problem turns out to be non-convex and highly intractable, for which an alternating approach is developed via solving the resulting fractional programming problems alternatively. In particular, the closed-form expressions are proposed for coordinated passive beamforming at IRSs. The numerical results will demonstrate the algorithmic advantages and desirable performances of the distributed IRS-empowered communication network.

研究の動機と目的

• 単一IRSを用いたネットワークにおけるチャネルランク不足と容量制限を解消するため、分散型IRSアーキテクチャを提案すること。
• 複数の送信元・受信先を有する無線ネットワークにおいて、複数の協調型IRSを用いて和レートを最大化すること。
• 非凸かつ取り扱いにくい制約下で、送信元の送信パワーベクトルと分散型IRSにおける受動位相シフト行列を共同最適化すること。
• 全チャネル状態情報（CSI）を用いてグローバルコントローラーがIRSを集中管理することで、局所的計算負荷を低減すること。

提案手法

• 送信パワーと分散型IRSにおける受動ビームフォーミングの共同最適化を含む非凸な和レート最大化問題を定式化する。
• 問題を二つの部分問題に分解する：送信元におけるパワー制御とIRSにおける協調的受動ビームフォーミング。交互最適化を用いる。
• 複数比分数プログラミング部分問題を二次変換を用いて双凸形式に再定式化し、反復的解法を可能にする。
• 変換された双凸問題を解くために、交互凸探索（ACS）法を適用し、位相シフトの閉形式表現を導出する。
• グローバルCSIを収集し、すべてのIRS間で位相シフトを調整するため、集中型IRSコントローラーを導入し、局所的計算負荷を低減する。
• ラグランジュ双対再定式化とシーケンス単調性を用いた収束性証明により、アルゴリズムの安定性を保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分散型IRSアーキテクチャは、単一IRSシステムと比較して、どのようにスペクトル効率を向上させるか？
• RQ2 複数ユーザー・複数IRSネットワークにおいて、送信パワーと受動ビームフォーミングを共同最適化することで、和レートを著しく向上できるか？
• RQ3 非凸ビームフォーミング最適化における交互アルゴリズムの収束性と性能向上は、分散型IRSシステムでどのように評価できるか？
• RQ4 準静的レイリー faded環境下で、分散型IRSの数が実現可能な和レートにどのように影響を与えるか？

主な発見

• ラグランジュ双対再定式化とシーケンス単調性を用いた証明により、提案された交互アルゴリズムは、設定された条件下で収束することが示された。
• 送信パワーと位相シフトの共同最適化は、別々の最適化やランダム位相シフト戦略と比較して、顕著に高い和レートを達成した。
• 35 dB SNRにおいて、共同最適化アルゴリズムはパワーのみ最適化や位相のみ最適化の手法を上回り、協調設計の利点を実証した。
• 分散型IRSの数が増加するにつれて和レートが上昇し、より高いチャネルランクと空間多重性の向上が確認された。
• 分散型IRSから得られる複数のランク1チャネルを活用することで、単一IRSのランク不足を補い、優れたスペクトル効率を達成した。
• 協調的受動ビームフォーミングのための閉形式表現が導出され、実装において効率的な運用が可能になった。